КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-72-10137
НазваниеНовые композитные мультиферроидные материалы на основе магнитоактивных эластомеров и пьезоэлектрических компонент.
РуководительМакарова Людмила Александровна, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-207 - Магнитные явления
Ключевые словаМногофункциональные материалы, мультиферроики, магнитоактивные эластомеры, пьезополимеры, магнитные наночастицы, магнитоэлектрическое преобразование, датчики
Код ГРНТИ29.19.00, 29.19.35, 29.19.39
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Поиск новых материалов для развития в области “гибкой” электроники является одним из востребованных направлений исследований современной науки. Для разработки универсальных устройств различных назначений (преобразователи, датчики, автономные источники энергии) необходимо исследование материалов, обладающих мультиферроидными свойствами, а также понимание фундаментальных принципов преобразований в них. При этом актуальными вопросами являются границы применимости этих материалов, стабильность полученных свойств и диапазоны внешних воздействий, в которых сохраняются и изменяются заданные параметры. Мобильность, легкость, компактность устройств диктуют определенные требования к условиям функционирования и свойствам используемых материалов. По этой причине исследование мультиферроиков на основе полимеров является перспективным.
В данном проекте предлагается комплексное исследование свойств нового типа слоистого мультиферроика, состоящего из слоя магнитоактивного эластомера и слоя пьезоэлектрического полимера. Исследование включает в себя поиск композитного материала с максимальными значениями магнитоэлектрического преобразования и максимальной чувствительностью к внешним воздействиям различного типа и диапазона. Планируемые в проекте исследования (экспериментальные и численные) позволят создать феноменологическую модель преобразования в новых структурах и определить основные перспективы их прикладного применения. Одной из фундаментальных научных задач, решаемых в рамках проекта, является исследование механизмов связи между магнитными, электрическими и механическими свойствами слоистого композитного материала, в том числе исследование параметров тензорного характера магнитоэлектрических преобразований в структуре.
На данный момент существующие слоистые твердофазные мультиферроики показали достаточно высокие значения магнитоэлектрического преобразования (до нескольких В/см*Э), однако методы их изготовления включают использование высоких температур и давлений. Также проводятся исследования слоистых композитов, состоящих из пьезоэлектрического полимерного слоя и тонкой металлической пленки магнитострикционного материала, однако использование пленочных ферромагнитных покрытий ограничивают величину механической деформации и, как следствие, магнитоэлектрического эффекта. Новизна проекта заключается в разработке нового композитного материала на основе магнитоактивного эластомера и пьезоэлектрического полимера. При этом состав магнитоактивного эластомера можно варьировать в процессе изготовления, используя магнитные частицы различных размеров (нано- и микро) и типов (магнитномягкие и магнитнотвердые, различной формы), а также можно изготавливать образцы с изотропным и анизотропным распределением частиц внутри полимерной матрицы. Имеющийся научный задел показывает возможность достижения резонансного магнитоэлектрического эффекта в таких структурах до нескольких В/см*Э, что сравнимо с существующими твердофазными материалами. За счет гибкости составляющих компонент можно разрабатывать, в частности, универсальные датчики повышенной чувствительности, автономные преобразователи энергии. Добавление сегнетоэлектрических частиц в состав одной из фаз также позволит увеличить отклик образца на внешние воздействия.
Магнитоактивные эластомеры проявляют магнитодеформационный эффект, величина которого может достигать сотен процентов. Таким образом, при механической связи с пьезополимерным слоем величина индуцируемого напряжения также будет значительно увеличена по сравнению с тем же эффектом в материалах с магнитострикционными элементами. Более того, изменение модуля упругости эластомера во внешнем магнитном поле позволит настраивать величину отклика системы на внешнее воздействие с помощью прикладываемого поля смещения, что расширит диапазон условий функционирования элемента, а также увеличит его чувствительность.
Возможности использования нового слоистого материала на основе магнитоактивного эластомера и пьезоэлектрического полимера в качестве чувствительного элемента датчика заключается в изменении резонансной частоты при появлении/изменении внешних воздействий. Поэтому данный проект в том числе направлен на динамические исследования образцов различного состава и измерение изменений параметров при внешних воздействиях.
Таким образом, целью данного проекта является исследование особенностей мультиферроидных динамических преобразований в слоистых композитных структурах на основе магнитоактивного эластомера и пьезоэлектрического полимера. Исследование включает в себя разработку слоистой структуры и подбор ее параметров, а также параметров внешних воздействий для реализации максимального магнитоэлектрического эффекта и максимальной чувствительности.
Для реализации данного проекта необходимо комплексное исследование свойств материалов, а именно:
• Исследование магнитных свойств магнитоактивных эластомеров, их зависимости от типа магнитных частиц, их концентрации, размера и распределения внутри полимерной матрицы;
• Исследование электрических свойств используемых пьезополимеров (зависимости индуцируемого напряжения от деформации, диэлектрической проницаемости от частоты, поляризации от электрического поля), а также влияния на их свойства мелкодисперсных сегнетоэлектрических и/или ферромагнитных наполнителей;
• Исследование структурных свойств полимерных композитов, в частности, оценка распределения частиц в полимере в зависимости от метода изготовления композита;
• Исследование динамического магнитоэлектрического преобразования в композитной структуре и его зависимости от параметров композитной структуры; определение резонансной частоты образцов в переменном магнитном поле;
• Исследование смещения резонансной частоты и изменения индуцируемого сигнала образцов при различных внешних воздействиях: при постоянном магнитном поле различных ориентаций, при внешнем механическом давлении, в диапазоне рабочих температур.
• Разработка численной модели магнитоэлектрического преобразования в предлагаемых композитных структурах, проведение численного моделирования, определение параметров магнитоэлектрического преобразования и их зависимости от состава компонент; сравнение результатов с экспериментальными данными.
• Исследование стабильности свойств образцов к температурным, механическим воздействиям, устойчивости и долговечности материала, скорости деградации структуры и изменения свойств при циклическом воздействии.
Ожидаемые результаты
В данном проекте будет разработан и исследован новый материал, обладающий мультиферроидными свойствами, на основе магнитоактивного эластомера и пьезоэлектрического полимера. Ожидается, что возможность изменения свойств композита за счет изменения состава и типа магнитоактивного эластомера, а также изменения динамических параметров магнитоэлектрического преобразования при различных внешних воздействиях позволит использовать данный композит в качестве компонент в “гибкой” электронике, в частности, в универсальных датчиках, автономных преобразователях энергии. В ходе исследований:
будут получены данные о распределении частиц в композитах в зависимости от способа изготовления, а именно: 1) данные об изотропном или анизотропном распределении ферромагнитных частиц в полимерной матрице магнитоактивного эластомера; 2) данные о распределении сегнетоэлектрических и/или ферромагнитных частиц в пьезоэлектрическом полимере;
будут получены данные о зависимости магнитных, электрических и магнитоэлектрических свойств композитов от состава компонент и технологии изготовления композита, в том числе от: 1) типа, размера и концентрации ферромагнитных частиц в полимерной матрице магнитоактивного эластомера; 2) изотропного или анизотропного распределения ферромагнитных частиц в магнитоактивном эластомере; 3) добавления сегнетоэлектрических и/или ферромагнитных частиц в пьезоэлектрический полимерный слой;
будут получены данные о зависимости резонансной частоты и амплитуды динамического магнитоэлектрического эффекта от состава компонент и технологии изготовления композита;
будет исследована зависимость смещения резонансной частоты и изменения индуцируемого сигнала образцов при различных внешних воздействиях: при постоянном магнитном поле различных ориентаций, при внешнем механическом давлении, при различных температурах;
будут получены данные об устойчивости и долговечности материала, о скорости деградации структуры и изменения свойств при циклическом воздействии;
будет разработана численная модель магнитоэлектрического преобразования в предлагаемых композитных структурах с учетом вязко-упругих свойств магнитоактивных эластомеров, будут получены зависимости параметров магнитоэлектрического преобразования от состава компонент и проведено сравнение результатов с экспериментальными данными.
Ожидаемые результаты предполагают проведение комплексных экспериментальных и численных исследований нового слоистого композита на основе магнитоактивного эластомера и пьезоэлектрического полимера. Поставленные задачи будут решаться впервые в рамках данного проекта, поэтому ожидается, что данное исследование вызовет интерес на мировом уровне. Полученные экспериментальные результаты позволят определить границы применимости композитов в зависимости от состава компонент и определить направления их практического применения. Разработка модели, на основе которой будет проведено численное моделирование, позволит расширить и уточнить полученные данные, что также приведет к уточнению области применения новых материалов.
Новый материал относится к мультиферроикам, демонстрирующим магнитоэлектрическое преобразование. Одно из возможных применений таких материалов - основной элемент для автономного преобразования и хранения энергии. Автономные преобразователи востребованы в современной сфере, например, в работе “умных” систем типа “умный” дом. Кроме того, возможность преобразования энергии механических вибраций в электромагнитную энергию также является актуальным вопросом в новых интеллектуальных системах.
Также новый материал планируется использовать в качестве элемента универсального датчика, в том числе в экологии. Ожидается измерение изменения резонансной частоты колебаний при различных внешних воздействиях. В проекте будет исследовано такое изменение при внешних нагрузках. Однако в зависимости от полученной чувствительности нового материала, внешней нагрузкой может стать изменение плотности окружающей среды (воздуха, жидкости) за счет возникновения загрязнений, а также изменение температуры и выпадение осадков, выполняющих роль дополнительного внешнего воздействия. В проекте планируется разработка действующих макетов датчиков нескольких типов на основе полученного композитного мультиферроика с оптимальными для конкретной внешней нагрузки характеристиками.
Таким образом, ожидаемые результаты проекта находятся на современном мировом уровне. С учетом планируемого патентования ряда результатов ожидается возможность практического использования полученных результатов проекта в экономике и социальной сфере.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Изготовлены магнитоактивные эластомеры с микрочастицами железа с размерным распределением 0.5-5 мкм различных концентраций с изотропным и анизотропным распределением частиц, различных модулей упругости и различных толщин. Пьезоэлектрические полимеры в виде пленок поливиниденфторида (ПВДФ) с нанесенными обкладками и защитным покрытием были использованы в качестве подложки для изготовления слоистых композитов, вторым слоем которых являлись пленки магнитных эластомеров.
Исследование магнитных свойств МАЭ показало влияние концентрации частиц, распределения частиц в матрице и упругих свойств полимера на магнитные характеристики образцов. Анизотропное распределение частиц в образцах МАЭ проявляется изменением хода петли гистерезиса при изменении ориентации измерений относительно внешнего магнитного поля. В достаточно мягком полимере наблюдается расширение петель гистерезиса в ненасыщенных магнитных полях из-за существенного смещения частиц и их диполь-дипольного взаимодействия, что приводит к увеличению чувствительности образцов к изменению магнитного поля в данном диапазоне поле.
Модуль сдвига эластомеров изменяется в зависимости от концентрации частиц и их расположения в матрице. Анизотропное распределение частиц в матрице МАЭ приводит к значительному увеличению эффективного модуля упругости образца при одинаковой концентрации наполнителя. В температурном диапазоне от 27 0С до 350 0С не наблюдается критических фазовых переходов в силиконовой матрице, а также фазовых переходов, связанных с магнитными фазовыми переходами наполняющих частиц, поэтому в данной температурном диапазоне наблюдается температурная стабильной образца.
Зависимость индуцируемого напряжения пьезоэлектрической пленки от ее изгибной деформации является линейной; при этом максимальное напряжение, полученное при отклонении свободного конца пленки от недеформированного состояния на 5 мм, достигло 1.25 В.
Проведенные исследования магнитоэлектрического эффекта в слоистых композитах «пьезополимер – магнитный эластомер» показали зависимость магнитоэлектрического эффекта (величины, резонансной частоты) от состава магнитоэластомерного слоя, в том числе от расположения частиц внутри полимерной матрицы, от модуля упругости полимера; а также зависимость МЭЭ от внешнего постоянного однородного магнитного поля.
Типичный частотный спектр для двухслойной структуры имеет основной резонансный пик при частоте и несколько дополнительных резонансных пиков при кратных частотах. Резонансная частота смещается при изменении амплитуды переменного поля при постоянной концентрации частиц в слое МАЭ. Максимальное значение МЭЭ было получено для образца с МАЭ толщиной 3 мм и концентрацией 77 масс% и составило 0.77 В/см*Э.
Постоянное однородное магнитное поле, прикладываемое перпендикулярно плоскости образца, увеличивает индуцируемый сигнал на несколько сотен процентов. Также увеличивается сигнал для всех дополнительных пиков. Наблюдается смещение резонансной частоты при увеличении поля смещения. Индуцируемое напряжения линейно увеличивается с увеличением поля смещения. Зависимость резонансной частоты от поля смещения была аппроксимирована линейной убывающей функцией.
Основой для магнитоэлектрического преобразования в двухслойных структурах «пьезополимер – магнитный эластомер» является изгиб слоя магнитного эластомера в градиентном магнитном поле. Этот изгиб появляется из-за силы, действующей со стороны градиентного магнитного поля на наполняющие частицы. В результате их «втягивания» в направлении градиента слой магнитного эластомера деформируется, вынуждая деформироваться также слой пьезоэлектрического полимера. В таком полимере происходит прямой пьезоэффект, результатом которого является возникновение электрического напряжения.
Разработана модель для описания магнитоэлектрического эффекта в слоистых структурах на основе метода молекулярной динамики. Полученные результаты показали необходимость использования модели Кельвина для описания соединения между «элементарными молекулами» - частицами железа и частицами полимеров. Это позволило рассматривать динамические эффекты в моделировании, связанные с использованием переменного магнитного поля.
Представленные результаты расширяют области применения устройств, обладающих свойствами поглощения и преобразования энергии. Например, наличие дополнительных гармоник в спектрах может быть использовано для разработки датчика контроля вибраций на различных частотах, т.н. широкодиапазонный датчик вибрации. Кроме того, обнаруженные зависимости резонансной частоты от амплитуды переменного поля означает возможности использования структур в качестве датчиков неоднородности поля.
Опубликована статья в международном журнале из первого квартиля https://www.mdpi.com/2073-4360/15/10/2262
Публикации
1. Макарова Л.А., Алехина Ю.А., Хайруллин М.Ф., Макарьин Р.А., Перов Н.С. Dynamic magnetoelectric effect of soft layered composites with a magnetic elastomer Polymers, Том 15, выпуск 10, страница 2262 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/polym15102262